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CAESARⅡ在压力容器管口应力分析中的应用


第3 9卷 第 1 0期  21 00年 1   0月

辽 

宁 

化 

工 

L a n n   h mi ̄ I d sr   io i g C e c n u t y

Vo . 9, . 0 13 No 1   Oco e , 0 0 tb r2

1  

C E A   在 压 力 容 器 管 口应 力分 析 中的应 用  A S R1 1
刘 焰 明 ,刘 吉 飞 ,王  乾 ,王 明鑫 
( 洋 石 油 工 程股 份 有 限公 司 ,天 津 30 5 ) 海 0 4 1 

摘 

要 : 论 述 了压 力 容 器 管 口应 力 分 析 的基 本 理 论 , 绍 了 云 图 曲 线 法 与 WR 17两 种 常 用 的 管    介 C0

口应力 校核方法 ; 以某闭式排放罐为例 , 将容 器本 体及支墩 建入模型 , WR 17有 限元 分析方法进 行  用 C0
校 核 。 对 相 应 边 界 条 件 的选 择 进 行 了论 述 ; 析 总 结 了降 低 容 器 管 口应 力 的 常 用 方 法 , 终 推 荐 一 种  并 分 最 较 为 合 理 的 容 器 管 口连 接 管 道 的 布 置 方 式 。   关 键 词 : 压 力 容 器 ;管 口应 力 ; 图 ; R 17 云 W C0 

中图分类号 : T  5 .  Q0 2 4

文献标识码 : A  

文章编号 : 10 0 3 (0 0 1 19 0     04— 9 5 2 1 )0— 0 9— 4

近 年来 , 随着 海洋 石油工 业 的发展 , 压力 容 器在  石 油平 台 以及 F S P O等浮 式生 产储 油设 施 上获 得 了  广 泛 的应用 , 如油气 分 离 、 然气 处理 、 天 闭式 排放 、 火  炬、 化学 注入 等 系统 中都 用 到 了压 力 容 器 。 由于 大  多数海 上生 产平 台 与 浮式 生 产设 施设 计 空 间 有 限 ,   压 力容 器所 连接 管道 的走 向受 到 限制 , 管道 如 布 置 

下 为正 )  为容 器 轴 线 与管 口中心 线所 在 平 面 内  ,

弯矩 . , M 为 与 封 头 截 面 平 行 管 口截 面 内 的弯 矩 ,  
¨  

的正 负 值 将 产 生 相 同 的应 力 效 果 , 因此 , 不 

考 虑正 负 。  

1 应 力 分 析 基 础 理 论 
1 1 WR 1 7校核 理论  .  C0

不 合理 将使 容器 管 口柔 性 较 差 , 道 将 对容 器 施 加  管
较 大 的推力 以及 弯矩 ; 时 由于 开 口造 成局 部 结 构  同
不 连续 , 区域 容易 形 成 应 力 集 中 。 内外 载 的共 同  该

压 力容 器管 口应力 分析 的 目的是 根据管 口载荷  计 算容 器 内力 , 析 容 器 管 口区域 受 载 下 的应 力 状  分 况 。 自从 2 0世 纪 6 0年 代 以 来 , 接 研 究 学 会 第  焊

作 用使 得管 口区域 易 产 生 裂 纹 甚 至破 裂 , 导致 油 气  泄漏或 爆炸 、 危及 生产 和生 活安 全 。   压 力 容 器通 常 布置 在 两 个对 称 配 置 的鞍 座 上 ,   受 内压 、 温度 、 介质 重 量 、 座支撑 、 震风 载 以及接  鞍 地 管等导 致 的载荷 , 力 情 况 较 为 复杂 。图 1为 卧式  受
容 器模 型 图 。  

17公 告 ( C) 0 WR 已被设 计 工 程 师 广 泛 地 用 于 评 估 
容器、 附件 接 口的 局 部 应 力 。WR 1 7是 一 套 由于  C0 附加载荷 在 容器上 产 生 的有 限元 分析 结果 的参数 化  法, 可用 来 分 析 圆柱 形 或 球 形 容 器 附 件 处 的应 力 。   管 口载荷 在 容器壁 上 引起 的应力 应满 足下列 条件 :  


次 总体薄膜 应力 强度 :  
P  <S   () 1 



次局 部薄膜 应力 强度 : . :    
<15   .S () 2 



次薄 膜加一 次 弯 曲应 力强 度 :  
+P <15   6 .S () 3 



次加 二次应 力 强度 :  
+ +Q( 次 应 力 ) s   二 ≤3   () 4 

图 1 卧 式 容 器 模 型 图   

图 中 ,、 A B为管 口中心 线 至 两个 封 头 位 置 的距  离 , D为管 口中心 线至 两个 鞍座 之间 的距 离 , C、 P为  管 口轴 向力 , 以容 器 外 至 内为 正 ( 模 型 中竖 直 向  该

总应 力 强度 :  
P£ 6+Q+F( 变 幅 ) s +P 交 ≤2  收 稿 日期 : 2 l 72  0 O -7 作 者简 介 : 刘 焰 明( 9 3一) 男 , 理 工 程 师 。   18 , 助   () 5 

10  10

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P = Fy  

21 0 0年 1   0月
() 9 
(0   1) ( 1  1)

总应 力强度 ( 向主应力 和 )  三 :
S +S S ≤4 m 1 2+ 3 S   () 6 

M c =M   + Fz × 。   M£ M z+F ×a   x  

其 中 ,1 ( )~( ) 控 制 一 次应 力 强 度 , 由塑  3式 可 性 极限载 荷分析 P  / ( ) ≤   4 式是 控 制 塑性 疲 劳 和  递 增性 塑性 变 形 , 由加 、 载塑 性 安定 性 分 析 代  可 卸 替 ; 5 式 控制 弹塑性疲 劳 , 6 式 控制 脆断 。 () ()  

式中 : a为管 口法兰端面至罐体表面的距离 。  

’ WR 17根据 管嘴 载荷可计 算 出一 次薄 膜应 力  C0 与二次 应力 , 种应 力 部分 可 从合 成 应 力 强度 中得  各
到, 而应 力强度 可 由施加 的持续 、 热胀 和偶 然载荷计 
算 中得 到 。  

1 2 容 器管 口弯 曲刚度计算  . 在 各个力 与 力 矩 分 量 中, 矩 ( 括 平 面 内与  弯 包 平面外 ) 比力更 容 易使 容器 壁 产生 变形 。如 图 1所 
图 2 容 器 管 口 “ nh r处 理 模 型    A co”

示 , 为平 面内弯矩 , 为平 面外 弯矩 。考 虑容 器  帆  
管 口柔 性后 , 不能 缓解 与重 力 和压 力 相对 应 的一  并

取 M = X M ML√ ) 一般 M    / 2 MA ( , / 2 , ≥ √  根据 M, P的值 参 照云 图进 行 校核 , 果 点 (   如 P, )在 云 图 曲线 包 络 的范 围 内 , 校 核 通 过 , 之 , 则 反  

次载荷 , 所能缓 解 的主 要是 由热 膨胀 和 端 点 附加 位  移等 引起 的二 次载荷 。   弯 矩作 用 下 容 器 管 口弯 曲刚 度 可 按 式 ( 计  7)

需要 调整管 支架位 置 、 型 或修 改 管道 走 向使计 算  类
结果通 过 。   2 2 WR  0 / 9 .  C 17 2 7校 核法 

算:  
E K ̄= 1 7 5 x 1 5 ‘ Z . 4     0- 。。  
_

() 7 

式 中 : 一 平 面 内 、 弯 曲 刚度 , ? / ; K  外 N m%  E 安 装 状 态 的 弹性 模 量 , a  一 MP ; , 管 道 截 面惯 性 矩 ,    _ mm ; D0 管道 外 径 , m; 一 m  


云 图校核 法是 一 种 常用 的工 程 经验 值 法 , 由于  省去 了橇块 内 的建 模 与分 析 , 用 起 来 比较 快 捷 。 使   但是 在一定 条件下 , 容器 与 管道 连 接 处允 许 有 一定 

的位 移与转 角 , 就是 说 与 容器 相 连 的管 嘴 有 一定  也
的柔性 , 如果 将设备 管嘴 完全 刚性 处理 , 在工 作状态 

柔 性 因 子 



c  () ] ( 寺[   等 告

( 8 )  

(P ) 算 出的管 嘴 载 荷将 非 常保 守 , OE计 因此 有 时就 
需对 连接处 的实 际 刚度 进行 计 算 , 将其 模 拟 为柔  或 性 管嘴对 所 连 设 备 一 起 建 入 模 型 中。本 文 中 采 用  WR 2 7对 管 道 系统 进 行建 模 , 用 WR 17校 核  C9 采 C0
管 嘴的柔性 。  

式中:C w系数 , 计算平面内弯 曲刚度时取 0 0 计算平 面外 弯  .9,
曲 刚度 时 取 0 2 ; .7  D 容器外径,   一 mm;


管道壁厚,   mm;

卜 容器壁厚,, m 存在补强时  应加上补擅厚度。  

图 3为 WR 2 7输 入 界 面 , C 9 自动将 输  C9 WR 2 7 入 的 管 嘴 节 点 与 容 器 节 点 关 联 , 需 要 使 用  不
“N D C O E点 ” 注意 “ i ac   tfnro H a ” , D s net Sie e r ed 中  t o f    输 入管 嘴离 较 近 的封 头 的距 离 , Ds net O p— “ ia c o p o t    

2 应用 实例 
在对 压 力容 器 管 口进行 校 核 时 , 用 的有 两种  常 方法: 一种 为 云 图 校 核 法 , 接 将 容 器 口法 兰 处 作  直

s eSiee” i  tf r 中输入 管 口距另 一 个 封 头 的距 离 。容  t fn 器 的材料 采用 A l 0 参 照 A MEB 1 3的设计 标  5 67 , S  3 . 准, 容器 的外径 与壁厚 按照管 道进行 输人 。  

“ nhr 处 理 ; 外 一 种 方 法 将 罐 体 建 入 到 模 型  A co” 另
中, 采用 WR 1 7 2 7理论 进行 校核 。 C 0/9  
2 1 云 图校核 法  .

考虑 到支墩 对压 力容器 的支撑 只作用 在压力 容  器 下部 的一部分 面 积 上 , 直接 在 容器 节 点 上施 加 约  束 将会使得 计算 结果失 实 , 因此在建 模时 , 了使 计  为
算 结果更 加真 实 , 支墩也建 入到模 型 中 , 容器 中  将 从 心起建一 无质量 刚性 件 来 模 拟 支墩 , 相应 的位 置  在 进 行约束 。  

在进 行 应力 分 析计 算 时 , 有时 由于无 法获 取所  需厂家资 料或为 了减 少 工作 量 , 常在 管 口直 接 “ n A—   co” hr 处理 , 图 2所 示 , 时 假设 容 器 管 口区域无  如 此 变形 , 刚性无 限大 , 后 提取 此 处 的 支架 力 与力 矩  然


F , , , , , 于图 2所示模 型 :          对  

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第3 9卷第 1 O期 

刘焰 明, C E A 等: A S RⅡ在压 力容器 管 口应力分析 中的应用  

( )若 持续 工作 状 态 与偶 然 状 态应 力 失 效 , 1 可 
@ wR   7 c2   9 0 A l 5  尸  0 6

以增 加 支架 的个 数 , 以及 调 整支 架 的位 置 与类 型 来  改善 应力 状况 。   ( )若热 态 工况 下 应 力 失 效 , 释 放 相应 的约  2 应 束 以及 利用管 道 的 变形 来 吸收 热 位移 , 间位 置 允  空 许还 可使 用 弹簧 吊架 , 膨 胀 节 在 油 气 处理 系统 禁  但 止使 用 。   ( )根据 G 10的要 求 以 及 分 析 经 验 校 核 壁  3 B5 厚是 否满 足要 求 , 壁厚 过低将 导 致许用 载荷 较小 , 此 
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时通 过上 述两 种方 法调 整模 型意 义不 大 。  

3 结 论 与 展 望 
图 3 WR 2 7输 入 界 面    C9

通过 对上 述模 型 的计算 与分 析 , 出 以下结论 : 得  

本文以 B 2 Z 6—3项 目中 的闭 排 罐 与 火 炬 管 线 

( )容器 的壁 厚 设 计 应 考 虑 承受 一 定 的外 载 , 1  
在购 置压 力容 器 时应 考 虑 外 载 的作 用 , 行 容 器 管  进 口管 网规 划时 应进 行 应 力 试 算 , 在 相应 的位 置 进  并
行补 强 。  

为例 , 模 进 行 分 析 , 排 罐 管 口采 用 WR 27进  建 闭 C9
行模 拟 , 了考虑 罐体 本身 柔性 , 为 罐体 与支 墩均 按上  述 的方法 建入 模 型 , 图 4   如 。

( )容器 管 口连接 管道 的走 向应 考虑利 用管 道  2 的 自身柔性 消 除 二 次应 力 , 用 管 段 “ ” 收容 器  利 1吸 轴 向位 移 , 用 管 段 “ ” 收 管 段 3的 轴 向位 移 。 利 2 吸   容器 管 口上 端 的立 管 长 度 不 宜过 长 , 防止 立 管 的重 
l  

量导 致管 口轴 向力 过大 。  

( )运 用 杠杆 定 律 调 整 支架 位 置 , 方 面应 保  3 一
丫 

证 支架 处 的 支 持 力 不 致 过 低 导 致 支 架 不 起 支 撑 作 

}  
j  

用 , 道其 它节 点应 力过 高 ; 管 另一 方面应 保证 支架 以 
及 基 础结构 能 承受 的载荷 不致 被压 溃 。最终使 得 管 
— 

/  
田 幸  

固定支架 

口处 的应力 值较 低 。   ( )“ 应 力 ” “ 位 移 ” 两 个 相 互 矛盾 的  4 低 与 小 是 参数 , 往往需 要牺 牲 其 中之 一 保证 计 算 结 果 的安 全 
可 靠性 。  
参 考 文 献 
[ ] 唐 永进 . 力 管 道应 力 分 析 [ . 京 : 1  压 M] 北 中国 石化 出版 社,  
2 0 1 : 5—8   0 3, 1 6 9.

图 4 建 入 容 器 本 体 模 型 图   

再 用 WR 17进 行 校 核 , 核 时 是 否 考 虑 “n  C0 校 I—

c d  rsueT rs” 具争 议 , 者 通 过查 阅诸 多  l ePesr hut颇 u   笔 资料 得到 以下结 论 : 于 盲 板 力 是 由于 管径 发 生 变  基

化导致 有效 受压 面 积 变 化产 生 的推 力 , 当管 道 中没 
有运用 波纹 管 , 管道 的管径 没有 发 生变化 时 , 盲板 力  可 以通 过 系统 自身 的反馈 可 以达到平 衡 。   对 模型 进 行 运 算 求 解 后 运 用 WR 1 7校 核 管  C0 口载荷 , 从计 算结 果 中提 取 S S 持 续 状 态 , 虑 重  U( 考

[ 2] C A E Ic A S RⅡ 中文 用户手 册 [ . O D  n.C E A M] 北京 : 中国技术 
服 务 培 训 中心 ,0 3  20 .

[   刘亚江. A S R Ⅱ管道应力分析理论 [ ] 管道技术 与设备 , 3] C EA J.  
20   0 3.

[ ] 段瑞. 4  压力容器壳体局部应力计算方法 分析[ ] 设计与结构 , J.  
20 ,8 6 :5— 8 0 1 1 ( )2 2 .  

力、 内压 与 弹簧力 ) O C( 然 状 态 , 虑 地 震 与 风  、C 偶 考
载 )O E 热 态 , 、P ( 考虑 设计 温度 与安装 温 度 的差 值 引 

[ ] 李永泰. 5 压力容器分析设计需讨论的若 干问题 [ ] 设计计算 , J.  
20 2 ( )3 3 . 0 7,4 2 :0— 3  

起 的热胀 ) 3种状 态下 的管 口的载 荷 , 核是 否 在许  校
用 的范 围 内。  

[ ] 戚晓宁 , 6  石磊 , 曹永. 力容器 管 口应力分 析 [ ] 石油化 工设  压 J. 备 ,0 9 8: 4 . 20 , 4 4— 6 

若 某一 工 况 校 核失 败 , 参 考 下述 相 应 方法 对  可 计 算模 型进 行调 整 。  

( 下转 第 10 14页 )  

10   14

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21 00年 9月  

6 结

语 

螺 旋 折 流板 换 热 器 管 束 在 设 计 时 需 采 用新 结  构 , 弓形换热器 管束相 比 , 有诸 多优 点 , 别是  与 具 特

它 能够有 效地 降低介 质 流 动 阻力 、 加 传热 效 率 和  增 减 震等优 点 , 因此 具有 广阔 的应用前 景 。  
参 考 文 献 
[ ] 王秋旺 , 1 罗来勤, 曾敏. 交错螺旋折 流板管壳式 换热器 壳侧传 

图 9 螺 旋 折 流 板 在 椭 圆上 位 置 坐 标 
式 中 : 一椭 圆 长半 轴 长 度 , i ;   m l  l

热与阻力性能[ ] 化工学报 , 0 5 4 :2— 6  J. 20 ()2 2 . [ 2] G 1 1—19 . B5 99 管壳式换热器 [ ] 9 9 S .19 .   [ 3] 曹纬. 国外新 型换热器介绍[ ] 化学工程 , 0 0 6 :0— 3  J. 2 0 ( )5 5 . [ ] 王正方 , 4 王勇 , 曲大伟. 螺旋折流板换热器 的研究 与制造 [ . M]   全 国化工热交换器技术与设备交流会论文集, 0 8 20 .   [ 5] 潘振 , 陈宝东 , 艳丽. 商 螺旋折流板换 热器 的研究 与进展[ ] J.  

R 圆 柱体 半 径 ( 椭 圆短 半 轴 长 度 ) hm; 一 即 ,i  


螺旋 折 流 板 安装 倾 角 。  

螺旋折 流板椭 圆 曲线 边上 任 意点 (    ) Z , 的数  值 可 以计算 得 出。   当  = A时 , 以得 出此 时的 z 值 : 可    
z =,p ( 一 2R ) 1 / 21 A /  

节 能 技 术 , 0 6 1 :6—3 . 20 ( )3 9 

[ 6] 邓斌 , 吴扬 , 陶文铨. 螺旋折流板换 热器壳侧 流动的数字模 拟  [ . M] 中国工程热物理学会 2 0 03年学术会议论文集, 0 3  20. [   王秋旺 , 7] 罗来 勤, 曾敏. 交错折流板 换热器传热 与阻力性 能的  实验研究[ . M] 中国工程 热物 理学会 2 0 0 3年 学术 会议论 文 
集 。0 3 20 .  

则螺旋 折流 板的弦 长 C的计算公 式 为 :  
C=2 I= / 2 1一 zR ) Z 2,p ( A /   

螺旋 折流板 的边长 S的计 算公 式为 :  
S=   +( / ) c 2 

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论 文 集 ,0 3 20.  
2 o   0 4.

[ ] 王良, 8  罗来勤 , 王秋旺. 螺旋折流板 换热器 中阻流板对换 热及  沿程压降的影响[ . M] 中国工程热物理学会 2 0 0 3年学术会议 

[ ] 朱冬生 , 9  蒋翔 , 陆应生. 螺旋折流板 低翅 片管油换热器 应用研  究[ .0 4年全国化工石化装备国产化技术交流会论文集 , M]2 0  

螺旋 折流板 的扇形 角 J B的计算 公式 为 :  
B: aci( / S  2 rs C 2 ) n

[0] 张少维 , 1 周荣兰, 桑芝富. 折流板间距对换热器性能影响 的数  值研究[ 】 南京工业大学学报 , 05( ) 2 2 . J. 20 3 :5— 8 

I r d to   ft   pia   f e Pl t   t uc u e nt o uc i n o  he S r lBa l   ae S r t r  
Z E  i- n , A   egl g A GLn H NGXu a g C O F n—n ,Y N  i  f i
( Z Ma uatr g C , t , h n a g1 0 4   hn ) L   n f u i   o Ld S e y n  1 14 C ia  c n  
Absr c :The s ia  afe p ae h a x h ng m  l  d p  p o i t  p r   tu t r ta t   p rlb f   l t  e te c a e ala o ta prx mae s ia sr c u e,ma y p e e   fo e —q re  ft e s elco s l l n   ic so  n uat ro  h  h l  rs  


s cin fn—s a e   l t  r  s e ld s ia —s a e e t  a o h p d p ae a e a s mbe   p rl h p d,e e y pe e o   af   lt  n   e tp p   r   b i u .I  h   p rlb f e v r  ic   fb f e p ae a d h a ie ae o l e n t e s i   af   l   q a l

p ae h a  x h n e , d u s ial  o s i h   h l t e fr d c n r u a o c  mp o et e t r u e t o lt  e t c a g r me im  p rl f w  n t e s el,h  ome   e t fg l re i r v  h   b ln   w,p e s r   s   e a s   e yl i f u l f rs u e l sb c u e o o   r e—a ge r v ra  o   a   lo b   v ie . fl g a n l e e s f w c n a s  e a od d  ll Ke   r s y wo d :He t x h n e ;He te c a g r n l  fisal tu tr   e in a  c a g r e a  x h n e ;A ge o   t l;S r cu e d s   n g
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( 上接 第 10 11页)  

S r s  ay i n No zeo   es r   se  i   te sAn lssi  z l  fPr su e Ve slW t CAES h AR Ⅱ  
LU Y nri ,  ie, A GQa , A GM —i I  a — n uUJ- i W N   in W N    gx   ug f n
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Ab t a t h   a i t e r  f te sa ay i i h   o ze o  r s u ev s e w sd s u s d t e     o sr c :T e b sc h oy o   r s  n ss nt e n z l  f e s r  e s l a   ic s e ,h n t c mmo   to so  h c ig n z    s l   p   wo n meh d   fc e k n   o ‘
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e a l , e b d   fte v s e a d te s p o t  e e mo e e ,te   x mp e t   o y o     e s l n  h   u p rsw r   d l d h n WRC1 7 w s u e  n t e c e kn ,h w t  e e tt e b u d r  h h   0   a   s d i h   h c i g o  o s l c    o n ay h c n i o   sds u s d At a t h w t  r v   esr s  tt si h   e s l o zewa   u   r a d, e    e s n be w y o  i el y  o d t n wa   ic s e .   s , o  oi o et   t ssau  n t ev s e  z l  sp t o w r t n a r a o a l  a   f p  a — i l mp h e n f h p i g i h   o ze o  e s l sr c mme d d  n  n te n z l  fv se   e o wa ne . Ke   r s r s u ev s e :S rs  f h   o z y wo d :P e s r  e s l t so   e n z l e t e:E au t n c a t v a i   h r ;W R   0   l o C 17

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管线的设计温度和压力高于ASME/ANSI B16.5中的定义...管道应力分析软件(CAESARⅡ)对管道进行详细的应力计算...5.3.5 容器 作用于容器管口的载荷,通常应低于...
ANSYS在压力容器设计中的应用
压力容器应力分析 ? 法兰连接的螺栓强度分析 ? 压力容器稳定性分析 压力容器在结构设计中需要考虑不同工作状态下的应力和变形。 ANSYS 软件可以帮助解 决在不同...
管道应力分析概述
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UG NX 高级仿真在压力容器中的应用
沧州市设备安装工程有限公司 UG NX 高级仿真 在压力容器应力分析中的应用闫 硕 ...以压 力容器典型的受内压圆筒径向接管结构为例,利用 NX CAD 的强大建模功能...
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